セーリングボート用高度オートパイロット - Arduinoで精密自動操舵

主要コンポーネント

• Arduino UNO (メインCPU) × 1
• Arduino Nano (ウォッチドッグ) × 1
• Beitian BN-220T GPS (2Hz, $GNRMC出力) × 1
• ステッピングモーター 23LM (54ステップ=1/4回転) × 1
• L298 モータードライバー (Keyes) × 1
• 433MHz RFリモコン (XD-YK04, 4ボタン) + コイルアンテナ × 1
• タクトスイッチ × 6 (赤×2, 緑×2, 黒×1, 青×1)
• 電源スイッチ × 1
• 6ピン丸型コネクタ (モーター用) × 1組
• ブザー × 1
• LCD1602 (I2C変換基板付き) × 1
• LED × 3 (赤、青、黄)
• EEPROM 24C04 (I2C, 512B) × 1
• マルチプレクサ 4051 × 1
• LiPo 2S 7.4V 2600mAh × 1
• レギュレータ 7805 + 放熱板 × 1
• サーミスタ NTC MF52-103 10k × 1
• 自己復旧ヒューズ 2A × 1
• ダイオード 1N4148 × 6
• 各種抵抗・コンデンサ
• 透明防水ケース

システム概要

単独航海時に「ティータイム」を楽しむための自動操舵システムです。GPSで船首方位を保持し、ステッピングモーターでラダーを制御。ウォッチドッグ (Nano) がUNOを監視し、フリーズ時にリセットします。

操作インターフェース

• 本体ボタン: 青=一時停止/再開、赤/緑=±1°/±10°、黒=設定モード
• リモコン: 同機能の4ボタン (±1°, ±10°)
• LED表示: 黄=ウォッチドッグ稼働(1Hz点滅)、青=オートパイロットON、赤=リモコン受信

回路設計のポイント

• ウォッチドッグ: UNOのピン3→Nano A0へ2.5秒ごとにパルス出力。欠落時はNanoがUNOリセット。
• 省ピン化: LCDはI2C、ボタン/リモコンは抵抗分圧でアナログ1ピンに集約 (1%抵抗使用)。
• GPS: BN-220Tを2Hz/$GNRMCのみ出力に設定。UNOのRX(ピン0)に接続 (書き込み時は外す)。
• EEPROM: 操舵パラメータ (間隔、最小/最大角、係数) を不揮発保存。
• センサー監視 (4051多重化): 電池電圧、消費電流、レギュレータ温度を10秒ごとにチェック。低電圧 (7V未満) や過熱 (50℃超) でブザー警告。

PCBと組み立て

片面基板2枚をスタック (下:電源、上:オートパイロット)。ジャンパー線で配線し、全てピンヘッダ/デュポンコネクタで接続 (将来的な再利用と修理性重視)。本番運用では全ハンダ付け推奨。

パラメータ設定 (黒ボタンで項目切替、±ボタンで変更)

これらはプーリー径、ラダー感度、ロッド長などに合わせて実船でチューニングします。

実動作の流れ

1. 青ボタンで一時停止解除 (STOP表示消灯)。GPSフィックス取得まで待機。
2. 表示: R=目標針路、H=現在針路、速度、時刻。R=Hで針路維持。
3. ステッピングモーターのロープをラダー棒に接続。
4. 青ボタンで操舵開始。偏差に応じて±補正を繰り返す。
5. 針路変更は赤/緑ボタンまたはリモコンで。手動復帰は青ボタンで一時停止→ロープ外す。

ソフトウェア構成

• プログラムメモリ約65%、RAM約45%使用。Stringクラス多用だが安定動作。
• serialEvent() でNMEA文を2Hz受信、チェックサム検証後パース。
• EEPROM初期化/読み書きを慎重に実装 (IDバイトで未フォーマット判定)。
• ステアリング制御: 偏差計算→係数乗算→ステップ数変換→モーター正転/逆転でラダー往復駆動。
• ウォッチドッグ給餌はメインループの隙間時間にピントグル。

ソースコード

オートパイロットスケッチ (UNO用)

/* Autopilot for small sailing boats - Marco Zonca 2019 */
#include <LiquidCrystal_I2C.h>
#include <NewTone.h>
#include <Stepper.h>
#include <Wire.h>
// ... (全文はGitHub参照、主要関数のみ抜粋)
void loop() {
  // センサー監視 (10秒毎)
  // ステアリング制御 (Interval毎に偏差計算→モーター駆動→戻し)
  // RF/ハードウェアボタンチェック
  // GPS NMEAパース & 表示更新
  // ウォッチドッグ給餌
}
// 設定モード、EEPROM読み書き、NMEAチェックサム、ボタン判定等の関数多数

ウォッチドッグスケッチ (Nano用)

/* Watchdog for Arduino Nano */
const int feedingPin = 14, ledPin = 15, restartPin = 16, buzzerPin = 17;
const long feedingInterval = 2500, timeForClientStart = 16000;

void setup() {
  digitalWrite(restartPin, HIGH);
  pinMode(ledPin, OUTPUT); pinMode(buzzerPin, OUTPUT); pinMode(restartPin, OUTPUT); pinMode(feedingPin, INPUT);
  delay(timeForClientStart);
}

void loop() {
  // LED 1Hz点滅
  // feedingPinのH→L遷移を監視、feedingInterval超過でrestartPin=LOW→HIGHでUNOリセット
}

完全なコード: GitHub (プロジェクトページ参照)

3Dプリント部品

• ステッピングモーター用プーリー (23lm-stepper-pulley-56.step)
• モーターマウントプレート (23lm-stepper-plate-v2.step, by Andrew Barney)

回路図

免責事項

これは趣味のプロジェクトであり、実用の航海用オートパイロットではありません。本物のオートパイロットはハードウェア/ソフトウェア共に極めて高信頼性が求められます。安全な環境でお楽しみください。

— Marco Zonca

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